Concepto de Entropía
Definición de algunos conceptos
La termodinámica, por definirla de una manera muy simple, fija su atención en el interior de los sistemas físicos, en los intercambios de energía en forma de calor que se llevan a cabo entre un sistema y otro. A las magnitudes macroscópicas que se relacionan con el estado interno de un sistema se les llama coordenadas termodinámicas; éstas nos van a ayudar a determinar la energía interna del sistema. En resumen, el fin último de la termodinámica es encontrar entre las coordenadas termodinámicas relaciones generales coherentes con los principios básicos de la física (recuérdese el principio de la conservación de la energía que tratamos en el número 3 de "Horizonte Social).
La termodinámica basa sus análisis en algunas leyes: La Ley "cero", referente al concepto de temperatura, la Primera Ley de la termodinámica, que nos habla de el principio de conservación de la energía, la Segunda Ley de la termodinámica, que nos define a la entropía. A continuación vamos a hablar de cada una de estas leyes, haciendo hincapié en la segunda ley y el concepto de entropía.
La Ley cero
La Ley cero de la termodinámica nos dice que si tenemos dos cuerpos llamados A y B, con diferente temperatura uno de otro, y los ponemos en contacto, en un tiempo determinado t, estos alcanzarán la misma temperatura, es decir, tendrán ambos la misma temperatura. Si luego un tercer cuerpo, que llamaremos C se pone en contacto con A y B, también alcanzará la misma temperatura y, por lo tanto, A, B y C tendrán la misma temperatura mientras estén en contacto.
De este principio podemos inducir el de temperatura, la cual es una condición que cada cuerpo tiene y que el hombre ha aprendido a medir mediante sistemas arbitrarios y escalas de referencia (escalas termométricas).
La Primera Ley
La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor.
Cabe aclarar que la energía interna de un sistema, el trabajo y el calor no son más que diferentes manifestaciones de energía. Es por eso que la energía no se crea ni se destruye, sino que, durante un proceso solamente se transforma en sus diversas manifestaciones.
La Segunda Ley
Por último, vamos a ver el contenido de la segunda ley de la termodinámica. En términos más o menos sencillos diría lo siguiente: "No existe un proceso cuyo único resultado sea la absorción de calor de una fuente y la conversión íntegra de este calor en trabajo". Este principio (Principio de Kelvin-Planck) nació del estudio del rendimiento de máquinas y mejoramiento tecnológico de las mismas. Si este principio no fuera cierto, se podría hacer funcionar una central térmica tomando el calor del medio ambiente; aparentemente no habría ninguna contradicción, pues el medio ambiente contiene una cierta cantidad de energía interna, pero debemos señalar dos cosas: primero, la segunda ley de la termodinámica no es una consecuencia de la primera, sino una ley independiente; segundo, la segunda ley nos habla de las restricciones que existen al utilizar la energía en diferentes procesos, en nuestro caso, en una central térmica. No existe una máquina que utilice energía interna de una sola fuente de calor.
El concepto de entropía fue introducido por primera vez por R. J. Clausius a mediados del siglo XIX. Clausius, ingeniero francés, también formuló un principio para la Segunda ley: "No es posible proceso alguno cuyo único resultado sea la transferencia de calor desde un cuerpo frío a otro más caliente". En base a este principio, Clausius introdujo el concepto de entropía, la cual es una medición de la cantidad de restricciones que existen para que un proceso se lleve a cabo y nos determina también la dirección de dicho proceso. Vamos ahora a hablar de las tres acepciones más importantes de la palabra entropía.
La entropía, el desorden y el grado de organización.
Vamos a imaginar que tenemos una caja con tres divisiones; dentro de la caja y en cada división se encuentran tres tipos diferentes de canicas: azules, amarillas y rojas, respectivamente.
Las divisiones son movibles así que me decido a quitar la primera de ellas, la que separa a las canicas azules de las amarillas. Lo que estoy haciendo dentro del punto de vista de la entropía es quitar un grado o índice de restricción a mi sistema; antes de que yo quitara la primera división, las canicas se encontraban separadas y ordenadas en colores: en la primera división las azules, en la segunda las amarillas y en la tercera las rojas, estaban restringidas a un cierto orden.
Al quitar la segunda división, estoy quitando también otro grado de restricción. Las canicas se han mezclados unas con otras de tal manera que ahora no las puedo tener ordenas pues las barreras que les restringían han sido quitadas.
La entropía se relaciona con el desorden molecular de la siguiente manera: cuanto mayor es el desorden molecular de un sistema, mayor es su entropía. El desorden molecular se refiere al grado de libertad o movimiento de las moléculas en un sistema. Por ejemplo, en un gas, las moléculas se mueven libremente y ocupan todo el espacio disponible, por lo que tienen un alto grado de desorden y una alta entropía.
En un sólido, las moléculas están unidas en una estructura cristalina y tienen un bajo grado de desorden y baja entropía. En un líquido, las moléculas tienen un estado intermedio entre gas y sólido. La entropía también está relacionada con la probabilidad de que un sistema adquiera una configuración molecular particular.
Cuanto más probable es una configuración, mayor es su entropía. Por ejemplo, es más probable que un gas se distribuya uniformemente por todo el recipiente que se concentre en una esquina, por lo que la primera configuración tiene una entropía mayor que la segunda.
La entropía tiende a aumentar en los procesos naturales a medida que los sistemas tienden a evolucionar hacia sus configuraciones más probables.
La entropía de este sistema ha aumentado al ir quitando las restricciones pues inicialmente había un orden establecido y al final del proceso (el proceso es en este caso el quitar las divisiones de la caja) no existe orden alguno dentro de la caja.
La entropía es en este caso una medida del orden (o desorden) de un sistema o de la falta de grados de restricción; la manera de utilizarla es medirla en nuestro sistema inicial, es decir, antes de remover alguna restricción, y volverla a medir al final del proceso que sufrió el sistema.
Es importante señalar que la entropía no está definida como una cantidad absoluta S (símbolo de la entropía), sino lo que se puede medir es la diferencia entre la entropía inicial de un sistema Si y la entropía final del mismo Sf. No tiene sentido hablar de entropía sino en términos de un cambio en las condiciones de un sistema.
Entropia, procesos reversibles y procesos irreversibles.
Volviendo al ejemplo anterior de la caja con separaciones y canicas, vamos a explicar qué es un proceso reversible y qué un proceso no reversible.
Llamamos proceso reversible al que se puede invertir y dejar a nuestro sistema en las mismas condiciones iniciales. Teniendo en cuenta nuestra caja ya sin las separaciones, tenemos a las canicas revueltas unas con otras, es decir, sin un orden. Si el proceso que efectuamos de quitar las divisiones fuera reversible, las canicas tendrían que ordenarse espontáneamente en azules, amarillas y rojas, según el orden de las divisiones. Esto no ocurrirá.
El proceso que efectuamos con nuestra caja de canicas fue un proceso no reversible, en donde una vez terminado, el orden que había en las condiciones iniciales del sistema ya nunca volverá a establecerse. El estudio de este tipo de procesos es importante porque en la naturaleza todos los procesos son irreversibles.
La entropía y la energía "gastada".
En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía (química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva.
La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.
Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente.
La entropía se puede calcular de varias formas diferentes, según el sistema termodinámico y el proceso involucrado.
En un proceso isotérmico donde la temperatura no cambia, el cambio de entropía entre dos estados de equilibrio termodinámico ΔS = S2 - S1 es igual al cambio de calor entre ambos estados ΔQ = Q2 - Q1 dividido por la temperatura. T absoluta.
Por lo tanto, ΔS = ΔQ/T.
Otra forma de calcular la entropía es utilizar la ecuación de Boltzmann: S = kB ln (W), donde W representa el número de microestados posibles del sistema. Su logaritmo natural multiplicado por la constante kB de Boltzmann da el valor de la entropía S del sistema termodinámico. El valor de la constante de Boltzmann es 1,38065 × 10^-23 J/K
¿Para qué sirve la entropía?
La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.
Una aproximación general a la teoría del caos.
La teoría del caos es más que una teoría, un paradigma que provocó una revolución científica en su época, reflejando el hecho de que muchos sistemas hasta ahora considerados deterministas y predecibles tienen serios límites a esta previsibilidad. Esto significa que no fueron tan útiles para predecir eventos futuros como se pensaba. Esto es importante porque uno de los fundamentos de la ciencia es la capacidad de eliminar la incertidumbre de lo que está sucediendo.
La teoría del caos, iniciada por Henri Poincaré y popularizadas gracias al trabajo del matemático y meteorólogo Edward Lorenz, se ha utilizado en campos como las matemáticas y la meteorología para explicar la imprecisión y la dificultad de obtener resultados predecibles de la realidad.
Efecto mariposa
Esta teoría es ampliamente conocida como efecto mariposa y afirma que "el débil batir de las alas de una mariposa puede provocar un huracán a miles de kilómetros de distancia". De esta manera, se demuestra que la presencia de una determinada variable puede provocar o cambiar otras, influyéndose paulatinamente hasta obtener un resultado que no se esperaba.
En resumen, la teoría del caos muestra que pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a grandes diferencias en el resultado final, donde la mayoría de los eventos y sistemas no son completamente predecibles.
Es importante señalar que, a pesar de las apariencias, el caos mencionado en esta teoría no significa falta de orden, sino que los hechos y la realidad no siguen un patrón lineal. Sin embargo, el caos no puede exceder ciertos límites. El huevo mencionado en la introducción no puede caer ni caer en ninguna dirección. En otras palabras, las posibilidades son muchas, pero los resultados son limitados y los fenómenos tienden a aparecer de determinadas maneras, llamadas tendencias tractoras. La teoría del caos en psicología.
La teoría del caos se desarrolló originalmente para explicar las diferencias en los resultados de la aplicación de modelos matemáticos, meteorológicos o astrológicos. Sin embargo, esta teoría se puede aplicar a muchas disciplinas, incluidas las relacionadas con las ciencias de la salud y las ciencias sociales. Una de las disciplinas donde se puede aplicar esta teoría es la psicología. La teoría del caos, como paradigma que concluye que pequeños cambios en las condiciones iniciales pueden causar grandes diferencias en los resultados, puede explicar la enorme diversidad que podemos encontrar en actitudes, perspectivas, pensamientos, creencias o sentimientos.
Aunque, como regla general, la mayoría de las personas intentan sobrevivir y realizarse de diferentes maneras, hay muchas circunstancias diferentes que cambian nuestro comportamiento y pensamiento y moldean la forma en que vivimos. Por ejemplo, una vida relativamente feliz y tranquila no garantiza que una persona no vaya a desarrollar trastornos mentales, del mismo modo que recibir un trauma importante no necesariamente conduce a nuevos trastornos.
Diferencias entre las personas
Esto puede resultar útil al intentar explicar por qué algunas personas pueden desarrollar fortalezas o problemas mentales que otras no. También puede explicar por qué ciertos tratamientos no funcionan para algunas personas, aunque sí funcionan para la mayoría. O por qué dos personas con los mismos genes y las mismas experiencias de vida no reaccionan de la misma manera ante un determinado estímulo o evento.
Esto puede deberse a diferencias de personalidad, capacidades cognitivas, foco de atención en ciertos aspectos, estado emocional y motivacional en ese momento en particular, o varios otros factores.
De manera similar, algunos procesos psicológicos, como la ansiedad, pueden relacionarse con la teoría del caos. Para muchas personas con ansiedad y trastornos relacionados, no saber qué podría pasar cuando actúan en su entorno crea una profunda sensación de malestar y, con ello, una posible evitación activa del miedo.
En otras palabras, la ansiedad es la incertidumbre que surge de la dificultad de hacer predicciones fiables debido a las múltiples posibilidades de una realidad caótica. Lo mismo ocurre con trastornos como el trastorno obsesivo-compulsivo, donde la incertidumbre de que algo temido pueda suceder debido a pensamientos intrusivos provoca ansiedad y puede llevar al uso de síntomas obsesivo-compulsivos como defensa temporal.
Pequeños detalles cambian nuestro destino.
En psicología y en esta teoría, la genética y la cultura podrían considerarse atractivas porque crean una cierta tendencia a comportarse de una determinada manera. Pero eso no significa que todos nos comportamos de la misma manera o tenemos la misma forma de pensar. Los patrones y hábitos de conducta también son atractivos, lo que puede explicar por qué se producen recaídas en algunos trastornos mentales.
Sin embargo, también se produce una remisión completa de los síntomas debido a la introducción de nuevos elementos y reconstrucciones alternativas de procesos internos disfuncionales. El solo hecho de que nos crucemos con alguien por la calle, o no, puede tener consecuencias inesperadas que nos hagan comportarnos de manera diferente. Grupos de personas y la influencia de la teoría del caos.
Lo mismo sucede en las organizaciones, sistemas, donde varios elementos se relacionan entre sí de diferentes maneras y con diferentes objetivos. Es de conocimiento común que hoy en día es imperativo que las empresas puedan adaptarse al cambio para mantenerse a flote. Sin embargo, esta adaptabilidad debe ser continua, porque no es posible anticipar todas las situaciones posibles. Deben ser capaces de lidiar con el caos.
Tanto su funcionamiento como mantenimiento pueden verse afectados por una gran cantidad de variables. El nivel de producción de un empleado puede verse afectado por sus circunstancias personales. Los clientes y/o proveedores de dicha empresa podrán experimentar retrasos en los pagos y entregas. Otra empresa puede intentar comprarla o cazar furtivamente a sus empleados. Puede producirse un incendio que destruya parte o la totalidad del trabajo realizado. La popularidad de una empresa puede aumentar o disminuir, por ejemplo, mediante la novedad o la aparición de mejores alternativas. Pero, en cualquier caso, como hemos demostrado antes, el hecho de que la realidad sea multifacética y caótica no significa que esté desordenada. La teoría del caos enseña que la ciencia en general debe ser adaptativa más que determinista, teniendo siempre presente que la predicción precisa y absoluta de todos los acontecimientos no es factible.